3. 4. Электронное сторожевое устройство на шести интегальных микросхемах

3.4. ЭЛЕКТРОННОЕ СТОРОЖЕВОЕ УСТРОЙСТВО НА ШЕСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

Высоконадежное сторожевое устройство, собранное на шести ИМС, относится к электронным устройствам средней сложности и разработано для применения в условиях УХЛ, ХЛ или В. Сторожевое устройство рассчитано на жесткие условия эксплуатации при температуре окружающей среды от —40 до 50 °С, относительной влажности воздуха до 95% при температуре 25 °С, при воздействии инея и росы и пониженного атмосферного давления воздуха до 5мм рт. ст.

Устройство может быть применено для установки как на внутренних, так и на наружных дверях жилых, производственных и хозяйственных помещений. Область его использования может быть расширена без значительных доработок для запирания дверей и въездных ворот гаражей, складских помещений и хозпостроек на садово-огородных участках. Надежность и долговечность устройства обеспечивается достаточно простым схемно-техническим решением и современным конструктивно-технологическим исполнением. Технологичность сторожевого устройства определяется оснащением радиолюбительской лаборатории необходимыми приборами и инструментами.

Электронная схема сторожевого устройства является по существу неотъемлемой частью системы охраны, в которую дополнительно входят механический замок врезной или накладной конструкции со стопором защелки, ИМ, приводимый в действие от электромагнита или соленоида или от электромеханического реле, и в ряде случаев устройство управления стопором защелки.

Работает сторожевое устройство от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц, ХИТ или другого источника электропитания постоянного тока, в том числе и собранного по рекомендациям, изложенным выше. Напряжение постоянного тока не превышает 12 В, номинальное напряжение — 9В.

Принципиальная электрическая схема сторожевого устройства на шести ИМС приведена на рис. 3.8. Как следует из схемы, устройство содержит в своем составе входные цепи с емкостным фильтром, защищающим от помех, которые проникают в сеть переменного тока; сетевой понижающий трансформатор питания Т1; выпрямитель нерегулируемого типа, работающий на емкостный фильтр; стабилизатор напряжения постоянного тока; кодирующее звено; счетно-решающее устройство с системой управления; ИМ дискретного действия.

Входное устройство обеспечивает подключение к сети переменного тока с помощью электрического соединителя X1 и сетевой розетки; предохранение первичных цепей устройства от перегрузок и коротких замыканий с помощью плавкого предохранителя F1, рассчитанного на максимальный ток 0,25А; общее отключение питания при нештатных ситуациях и включение устройства в эксплуатацию с помощью переключателя типа «тумблер» или П2К, — S1. На входе устройства собран емкостный фильтр на конденсаторах С1 и С'2, защищающий от низкочастотных помех, которые могут проникнуть в сеть питания.

В качестве сетевого понижающего трансформатора питания Т1 в сторожевом устройстве может быть использован унифицированный трансформатор типа ТН, габаритная мощность которого равна 20 Вт. Конструкция покупного трансформатора обеспечивает повышенный уровень влагозащищенности и электрической прочности. Соединения выводов обмоток трансформатора при подключении к сети переменного тока даны в табл. 3.9.

Таблица 3.9. Соединения выводов обмоток сетевого понижающего трансформатора питания Т1

В устройстве может быть применен самодельный трансформатор питания, рассчитанный на подключение к сети переменного тока напряжением только 220 В и изготовленный по упрощенной схеме, с одной первичной и двумя вторичными обмотками, одна из которых имеет отвод от средней точки. Моточные данные самодельного трансформатора приведены в табл.3.10. Трансформатор питания изготавливается с одной катушкой на броневом магнитопроводе типа УШ (Ш или ШЛ). В конструкции может быть использован также магнитопровод с размерами, позволяющими уменьшить расход меди, типа ШЛМ. Активная площадь поперечного сечения стали центрального стержня магнитопровода должна быть не менее 6 см2.

Таблица 3. 10. Моточные данные сетевого понижающего трансформатора питания Т1, примененного в электронном сторожевом устройстве на шести интегральных микросхемах

Намотка провода на катушку должна осуществляться рядовым способом, виток к витку, с изоляцией каждого слоя и пропиткой нитролаками. Между первичной и вторичными обмотками делается усиленная изоляция и наматывается слой обмоточного провода, один вывод которого замыкается на магнитопровод. Слой обмоточного провода является экраном. Самодельный трансформатор рекомендуется закрыть металлическим кожухом, изготавливаемым из жести или электротехнической стали и дополнительно защищающим обмоточный провод катушки.

Понижающий трансформатор питания обеспечивает полную гальваническую развязку вторичных цепей электронной схемы от сети переменного тока высокого напряжения, заданные значения выпрямленного напряжения постоянного тока, достаточно безопасную регулировку устройства, так как на выходе действует пониженное напряжение.

Выпрямительное устройство собрано на двух маломощных диодах по двухполупериодной схеме со средним выводом вторичной обмотки, которая чаще применяется в маломощных БП. По сравнению с однофазной мостовой схемой она позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери. Выпрямители, собранные по этой схеме, характеризуются повышенной частотой пульсации, возможностью использования вентилей с общим катодом (или анодом), что упрощает их установку на общем радиаторе, а также повышенным обратным напряжением на комплекте выпрямительных диодов и более сложной конструкцией трансформатора. Работает выпрямитель на емкостный фильтр, выполненный на конденсаторе С5. Схема выпрямителя позволяет получить на выходе напряжение питания с высокими техническими параметрами, обеспечивающими точное срабатывание системы защиты и четкую работу схемы сторожевого устройства. Выпрямленное напряжение поступает на полупроводниковый стабилизатор с защитой от перегрузок и коротких замыканий в цепях сторожевого устройства.

Включенный на входе устройства плавкий предохранитель F1 не всегда надежно защищает устройство от перегрузок и коротких замыканий, которые наиболее часто возникают из-за ошибок, допускаемых начинающими радиолюбителями и юными техниками. Для повышения надежности работы сторожевого устройства в БП введена электронная защита, которая собрана на стабилитроне VD3, транзисторе VT1 и резисторах R1 и R3. Работает защитное устройство следующим образом. На выходе выпрямителя включен проволочный резистор R3, через который протекает ток нагрузки и на котором падает небольшое напряжение, управляющее работой транзистора VT1. Заметим, что напряжение на этом транзисторе стабилизировано полупроводниковым стабилитроном VD3, включенным в прямом направлении. Ток нагрузки, протекающий через резистор R3, действует между базой и эмиттером, и разность напряжений между ними определяет состояние этого транзистора. Если ток нагрузки ниже допустимого, который определяется параметрами ЭРЭ, то транзистор остается закрытым. Когда же ток нагрузки резко увеличивается и превышает допустимый, падение напряжения на резисторе R3 становится таким, что транзистор VT1 открывается. При этом параллельно переходу база — коллектор включенный стабилитрон VD4 фактически шунтируется, так как через этот переход ответвляется часть электрического тока, а это приводит к ограничению тока, протекающего через регулирующий транзистор VT3 стабилизатора напряжения. В результате напряжение на нагрузку не поступает и сторожевое устройство обесточивается. Защитное устройство можно настроить на ток срабатывания 300 мА и более.

Важнейшим условием четкой работы сторожевого устройства и электронной схемы является использование проверенных и абсолютно исправных комплектующих ЭРИ и ЭРЭ, а также технологически правильного монтажа микросхем на печатной плате. При монтаже должен использоваться только низковольтный маломощный паяльник с тонким жалом и регулируемой температурой нагрева. В общем случае существующие правила формовки выводов и установки ИМС в электромонтажной схеме могут быть определены следующим образом:

1. Длина выводов ИМС должна быть не менее 15 мм после подрезки и формовки в соответствии с ТУ.

2. Использование высокотемпературных припоев не допускается.

3. При припайке каждого вывода ИМС должен использоваться металлический теплоотвод (в обычном случае это пинцет).

4. Время нагрева отдельных выводов ИМС при пайке не должно превышать 1...2 с.

5. Места на печатной плате перед установкой ИМС должны быть тщательно подготовлены.

6. Демонтаж ИМС допускается не более двух раз. Следует отметить, что только правильное соединение элементов схемы, и особенно шифровального устройства, позволит работать сторожевому устройству без сбоев.

Кодирование устройства осуществляется методом установления перемычек между выводами выходных контактов ИМС DA5 и DA6, образующих мультиплексор. Так как конструкция сторожевого устройства не сопровождается комплектом КД и ТД и полностью зависит от выполнения рекомендаций и возможностей радиолюбителя, а также от материального оснащения домашней мастерской, то необходимо наиболее удобно сконструировать и изготовить узел кодировочного поля. Наиболее целесообразно использовать такие элементы, как унифицированные малогабаритные зажимы или приборные контакты с пружинными и винтовыми зажимами. Эти контакты удобно расположить на лицевой панели сторожевого устройства, в котором собрана электронная схема. Монтаж ЭРИ и ЭРЭ осуществляется комбинированным способом с применением печатного и объемного монтажа. Печатная плата изготавливается из односторонне фольгированного стеклотекстолита или гетинакса толщиной 1,5..2 мм.

Как следует из схемы, набор шифра сторожевого устройства осуществляется на шифровальном поле соединением контактов А1—А8 с контактами Б1—Б8 в комбинациях любых цифр от 1 до 8. Восьмиразрядный код позволяет получить более 40000 сочетаний кода, который набрать простым перебором цифр практически не представляется возможным. Шифр выполняется установлением перемычек между выводами ИМС. Для правильного набора кода необходимо одну из двух линеек с контактными зажимами обозначить цифрами, которые и определяют не только восьмиразрядный код, но и порядок счета при замыкании контактов переключателя SB1.

Если соединить контакты А1 с Б2, А2 с Б1, A3 с БЗ, A3 с Б4, А6 с Б5, А7 с Б6, А7 с Б7, А8 с Б8, то закодированное число шифра будет 12336778.

В основном электронном блоке можно выделить следующие функциональные элементы: на двух ИМС DA5 и DA6 собран мультиплексор; счетчик-дешифратор собран на ИМС DA4; тактовый генератор выполнен на ИМС DA1 (выводы 1, 2, 3 и 11, 12, 13); счетчик выполнен на ИМС DA3; определитель типа И собран на диодах VD7—VD14 и резисторе R16 и имеет восемь разрядов.

Порядок считывания цифр кода производится автоматически с контактов, которые смонтированы на шифровальной планке Б, цифры кода задаются вручную подключением перемычек с шифровальной планки А. Например, если код имеет вид 55555555, то необходимо контакты А5 соединить последовательно со всеми контактами планки Б.

Для изготовления сторожевого устройства использованы следующие покупные комплектующие ЭРИ и ЭРЭ: ИМС DA1 типа К176ЛА7, DA2 — К176ЛЕ5, DA3 — К176ИЕ8, DA4 — К176ИЕ8, DA5 — К176ЛА7, DA6 — К176ЛА7; транзисторы VT1 типа МП42, VT2 — МП42, VT3 — П213, VT4 — КТ315Б VT5 — КТ315Б, VT6 — КТ814А; диоды VD1 типа Д226Д, VD2 — Д226Д, VD6 — Д226Е, VD7—VD14 — КД513А; стабилитроны VD3 типа Д814Д, VD4 — Д814Д; светодиод VD5 типа АЛ102А;

конденсаторы С1 типа МБМ-11-750В-0.025 мкФ, С2 — МБМ-П-750В-0.025 мкФ, СЗ — К42У-2-160В-2200 пФ, С4 — К10-7В-50В-Н30-2200 пФ, С5 — К50-6-25В-500 мкФ, С6 — К50-6-25В-500 мкФ, С7 - К10-17-50В-22 пФ, С8 — К73-17-63В-0, 1 мкФ, С9 — К10-17-50В-1000 пФ, С10 — КМ-6-25В-0,033 мкФ, С11— КМ-6-25В-0,033 мкФ; резисторы R1 типа ВСа-0,5-620 Ом, R2 — ВСа-0,25-750 Ом, R3 — проволочный самодельный 3 Ом (намотанный на резисторе ВСа-2-10 Ом константановым или нихромовым проводом), R4 — ВСа-0,5-1,2 кОм, R5 СП4-1-0,5Вт-А-2,2 кОм, R6 — ВСа-0.5-4,3 кОм, R7 — ВСа-0.5-2,4 кОм, R8 — ВСа-2-10 к0м,R9-ВСа-0,125-10кОм, R10-Bса-0,125-3,0МОм,R11— ВСа-0,125-100 кОм, R12 — ВСа-0,12-100 кОм, R13 — ВСа-0,5-330 Ом, R14 -ВСа-0,125-47 кОм, R15 - ВСа-0,25-1,2 кОм, R16 -ВСа-0,25-100 кОм; сетевой понижающий трансформатор питания T1типа ТН 14-127/220-50; электрический соединитель X1 типа «вилка»; предохранитель плавкий F1 типа ПМ-1-0,25 А;

лампа индикаторная H1 типа МН-6,3-0,22 А; переключатели SI типа «тумблер» ТВ2-1-2, SB1 — КМ1-1; ИМ К1 (электромагнит или электромагнитное реле типа РКН).

Раскодирование и подача команды на срабатывание ИМ сторожевого устройства производится с помощью правильного набора кода при замыкании контактов переключателя SB1. При нажатии на кнопку этого переключателя начинает работать счетчик импульсов и вспыхивать светодиод VD5. Если нужно набрать, например, код, состоящий из цифр 57331844, то для набора первой цифры светодиод должен вспыхнуть пять раз, после чего кнопка переключателя SB1 должна быть отпущена. При следующем нажатии на кнопку светодиод должен вспыхнуть семь раз и кнопка вновь должна быть отпущена. Таким образом набираются все восемь цифр кода. Если все цифры кода будут набраны правильно, то последним откроется транзистор VT6 и сработает исполнительное реле К.1.

При регулировке сторожевого устройства можно использовать другие аналогичные ЭРИ и ЭРЭ, не ухудшающие его основные электрические параметры и технические характеристики. Например, вместо стабилитрона типа Д814Д можно использовать любой стабилитрон из серий Д808—Д814. Резистор R3 можно намотать проводом с высоким удельным сопротивлением на корпусе перегоревшего предохранителя. Вместо резисторов типа ВСа можно использовать резисторы типов МТ, МЛТ, ОМЛТ, C1-4, C2-11, БЛП, БЛПа. В качестве ИМ можно использовать электромагнит или соленоид, описание которых приведено выше, а также электромагнитные реле типа РЭН-18 (паспорт РХ4.564.706), РКН (паспорт РС4.500.100), РСМ (паспорт РФ4.500.031). Налаживание сторожевого устройства начинается с БП. Сначала проверяется действующее напряжение на выходных обмотках сетевого трансформатора Т1, затем — на выходе выпрямителя и стабилизатора напряжения в точках А и Б. Здесь напряжение постоянного тока должно быть в пределах 8,5...12 В. Эту проверку рекомендуется выполнять при отключенной в точках А и Б нагрузке. После данной проверки устанавливается ток срабатывания защиты от перегрузок и коротких замыканий. Налаживание защиты сводится к подбору сопротивления резистора R3 — его сопротивление должно быть таким, чтобы защита срабатывала при токе нагрузки 350 мА.

В электронном блоке сторожевого устройства производится подбор резисторов усилителя тока ИМ (R9, R13) для обеспечения необходимого тока срабатывания.

Основные электрические параметры и технические характеристики электронного сторожевого устройства на шести микросхемах

Номинальное напряжение питающей сети

переменного тока, В .................... .220 или 127

Номинальная частота питающей сети

переменного тока, Гц ................... .50

Номинальное напряжение автономного источника

электропитания постоянного тока, подключаемого

в точках А и Б, В ..................... .9

Пределы изменения напряжения питающей сети

переменного тока, В .................... .180...242 или

110...140 Пределы изменения частоты питающей сети

переменного тока, Гц ................... .49...51

Пределы изменения напряжения электропитания

постоянного тока автономного источника, В .... .8,5...12 Коэффициент нелинейных искажений питающей сети

переменного тока, %, не более .............. .12

Амплитуда пульсации выпрямленного напряжения

постоянного тока на выходе выпрямителя, мВ,

не более ............................ .20

Коэффициент стабилизации, не менее .......... .100

Длительность вспышек светодиода при наборе кода

и замкнутых контактах переключателя SB1, с,

не менее ............................ .0,5

Вероятность подбора кода, не менее ........... .10^(-8)

Номинальное количество цифр в коде .......... .8

Разрядность счетчика импульсов .............. .8

Максимальная мощность, потребляемая устройством

от сети,Вт ........................... 18

Ток, потребляемый устройством в рабочем

режиме, мА, не более ................... .300

Ток срабатывания защиты при перегрузках

и коротких замыканиях, мА, не менее......... 350

Время срабатывания защиты при коротком

замыкании ,с, не более ................... .0,1

Ток холостого хода, мА, не более .............. 10

Рабочая частота, вырабатываемая тактовым

генератором импульсов. Гц ............... .2

Время между вспышками светодиода при замкнутых

контактах переключателя SB1, с ........... . .0,5...1

Число одновременно охраняемых объектов, шт .... .1

Готовность устройства к эксплуатации

после включения напряжения, мс, не более ..... .0,5

Вероятность безотказной работы сторожевого устройств при риске заказчика в=0,92, не менее .... .0,97

Срок службы, ч, не менее .................. 10 000

Сопротивление изоляции токоведущих частей

устройства, МОм, не менее ................ 10

Помехозащищенность устройства при воздействии

внешнего электромагнитного поля, дБ, не менее . .100 кпд, %, не менее ....................... .95

Условия эксплуатации:

температура окружающей среды, °С ........ .—40...+50

относительная влажность воздуха при температуре 25 С, %, не более .................. .93±2

атмосферное давление воздуха, мм рт. ст. .... .200...1000

Рис. 3. 8. Принципиальная схема электронного сторожевого устройства на шести интегральных микросхемах.